Gli uccelli usano i polmoni per modificare la meccanica del volo

Alcune specie di uccelli possono rimanere in aria apparentemente per sempre, battendo raramente le ali. Scivolano lungo le correnti d'aria ascendenti in un modo che affascina da secoli uomini e scienziati. Lo studio “The respiratory system influences flight mechanics in soaring birds”, pubblicato recentemente su Nature da un team internazionale di ricercatori guidati dalla biologa evoluzionista Emma Schachner dell’università della Florida, ha scoperto che gli uccelli in volo usano i polmoni per migliorare il volo.  All’università della Florida evidenziano che questo vuol dire che «A differenza dei polmoni dei mammiferi, i polmoni degli uccelli non si limitano a respirare. Si ritiene che una sacca piena d'aria all'interno dei polmoni degli uccelli aumenti la forza che gli uccelli usano per potenziare i muscoli delle ali mentre si librano in volo».

La Schachner ricorda che «E’ noto da tempo che la respirazione è funzionalmente legata alla locomozione, ed è stato dimostrato che il battito delle ali migliora la ventilazione. Ma i nostri risultati dimostrano che in alcune specie è vero anche il contrario. Abbiamo dimostrato che un componente del sistema respiratorio influenza e modifica le prestazioni dell’apparato di volo negli uccelli in volo, che usano i polmoni per modificare la biomeccanica dei muscoli del volo».

I polmoni dei mammiferi sono flessibili e ventilati e l'aria entra ed esce lungo lo stesso percorso. «Al contrario – dicono i ricercatori - gli uccelli hanno un modo unico di respirare: hanno un polmone stazionario che viene pompato attraverso l’aria in una direzione costante da una serie di sacche d’aria simili a palloncini che si espandono e si sgonfiano. Da queste sacche d'aria si diramano molte piccole estensioni chiamate diverticoli, che variano per numero e dimensione tra le specie aviarie e le cui funzioni rimangono poco comprese».

La scoperta della “nuova” sacca aerea chiamata diverticolo subpettorale, o SPD, è avvenuta per caso mentre la Schachner lavorava su un altro progetto riguardante l'anatomia dei falchi dalla coda rossa. Osservando le scansioni TC, la scienziata ha notato un enorme rigonfiamento che si trova tra il muscolo pettorale - che fa battere le ali verso il basso - e il muscolo sopracoracoideo, che batte le ali verso l'alto. Entrambi i muscoli si trovano nella parte anteriore del torace dell'uccello.

Questa osservazione ha portato la Schachner a ipotizzare che questa sacca d'aria potesse essere importante per la meccanica del volo passivo. Per testare la sua ipotesi e per valutare se il volo passivo e questa struttura unica siano evolutivamente correlati, la Schachner ha lavorato con Andrew Moore, un biologo evoluzionista della Stony Brook University di New York, e hanno esaminato la presenza o l'assenza della sacca d'aria in 68 specie di uccelli che rappresentano ampiamente la diversità aviaria vivente.

Il dataset utilizzato consisteva prevalentemente in una raccolta di scansioni microTC di uccelli vivi fornite da Scott Echols, uno specialista in chirurgia aviaria dello Utah, che aveva ottenuto le immagini per scopi clinici non correlati agli studi di Schachner e Moore.

Da queste analisi è emerso inequivocabilmente che «L'SPD si è evoluto in linee evolutive diverse almeno 7 volt ed è assente in tutti gli uccelli che non volano». la Schachner. aggiunge che «Questo modello evolutivo suggerisce fortemente che questa struttura unica è funzionalmente significativa per il volo passivo».

Per comprendere meglio l'impatto della sacca aerea sulla meccanica del volo, la Schachner ha lavorato con Karl Bates dell'università di Liverpool, per modellare digitalmente il suo effetto sul muscolo pettorale, concentrandosi sui falchi coda rossa e sui falchi di Swainson.

Bates sottolinea che «Misurare il comportamento dell'SPD in un vero falco mentre vola nel cielo è quasi impossibile, quindi abbiamo costruito un modello computerizzato dell'SPD, delle ossa e dei muscoli delle ali per ottenere le prime informazioni su come potrebbero interagire. Questo modello computerizzato ci ha anche permesso di modificare l'anatomia del falco, in particolare di rimuovere l'SPD - ancora una volta, qualcosa che non possiamo fare in un uccello reale - per comprenderne ulteriormente l'impatto sul volo».

I modelli computerizzati suggeriscono che «Il gonfiaggio della sacca d’aria aumenta il braccio di leva del muscolo pettorale, proprio come l’uso di un cacciavite per aprire un barattolo di vernice fornisce una leva migliore rispetto all’uso di una moneta».
Inoltre, il team ha scoperto che «l'anatomia del muscolo pettorale degli uccelli in volo è significativamente diversa da quella degli uccelli che non volano in modi che migliorano la generazione di forza. Nel loro insieme, questi risultati forniscono una prova evidente del fatto che l’SPD ottimizza la funzione del muscolo pettorale negli uccelli in volo, migliorando la loro capacità di mantenere l’ala in una posizione statica e orizzontale».

La Schachner evidenzia che «Parte di ciò che rende questa scoperta così importante è che rimodella il modo in cui pensiamo all'interazione tra locomozione e respirazione. Da studi precedenti, sappiamo che la locomozione, come la corsa o il battito delle ali, migliora la ventilazione polmonare. Ma ora abbiamo dimostrato il contrario: il polmone è anche in grado di modificare radicalmente il modo in cui funziona la locomozione negli uccelli in volo».

Il team della Schachner ha escluso altre possibilità per il funzionamento dell'SPD: osservando le scansioni TC di un falco dalla coda rossa vivo e sedato mentre respirava, ha dimostrato che gli uccelli possono far collassare volontariamente la sacca d'aria e continuare a respirare e possono anche aprirla e chiuderla in modo indipendente.

Moore fa notare che «La storia evolutiva qui non potrebbe essere più chiara. I nostri dati indicano che l’SPD si evolve solo negli uccelli che fanno volo passivo, e lo ha fatto almeno sette volte in modo indipendente attraverso lignaggi lontanamente imparentati. Quindi, che si stia guardando un gabbiano occidentale, un avvoltoio collorosso, una berta maggiore, un'aquila calva o un pellicano bruno, hanno tutti un SPD che migliora la loro capacità di volare».

La Schachner.conclude: «La ricerca suggerisce anche che i polmoni degli uccelli potrebbero avere molte altre funzioni non respiratorie sconosciute e interessanti che dobbiamo ancora scoprire. Gli uccelli sono estremamente diversi. Pensate a quanto è diverso uno struzzo da un colibrì o da un pinguino. E’ probabile che i loro polmoni siano coinvolti in una serie di attività funzionali e comportamentali davvero affascinanti che attendono di essere scoperte».